博格華納公司第2代電動增壓器

H.BREITBACH R.CHRISTMANN H.GABRIEL D.METZ

隨著汽車越來越趨向于采用電氣化、大功率和更高的電路電壓，電動增壓有了新的發(fā)展動向。鑒于電動增壓器的發(fā)展條件和要求，博格華納公司已改進(jìn)了其電動增壓器。需要改進(jìn)的因素除了性能和可靠性之外，還包括電功率和噪聲特性。為了滿足當(dāng)前和未來發(fā)動機(jī)方案的高要求，博格華納已對整個(gè)電動增壓器裝置進(jìn)行了優(yōu)化。電氣化;電動增壓器;電功率;噪聲

0 前言

根據(jù)排放法規(guī)和降低汽車燃油耗的要求，部分汽車企業(yè)開始開發(fā)具有更高效率和更清潔的發(fā)動機(jī)。為提供良好的駕駛體驗(yàn)，要求發(fā)動機(jī)通過小型化和低速化以降低燃油耗，同時(shí)改善低轉(zhuǎn)速范圍的扭矩和加速響應(yīng)性能。

為了能滿足對燃油耗和功率的高要求，制造商采用了不同的動力總成電氣化方案。與傳統(tǒng)的12 V汽車電路相比，電壓更高的48 V系統(tǒng)在效率方面能獲得很大的提升，例如電動增壓能在低轉(zhuǎn)速范圍獲得更大的扭矩，并且無渦輪空穴現(xiàn)象，因此能獲得良好的加速響應(yīng)性能。

隨著電壓數(shù)值的不斷升高，系統(tǒng)電氣化的不斷發(fā)展，以及電動機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)和微處理器容量的進(jìn)一步優(yōu)化，使得電動增壓系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛。目前，在48 V電壓下，緊湊的電動機(jī)同樣能實(shí)現(xiàn)10 kW的功率等級。博格華納公司的eBooster電動增壓器即使在發(fā)動機(jī)低負(fù)荷情況下也能高效地工作，如兩級渦輪增壓器系統(tǒng)一樣可以覆蓋渦輪增壓器全負(fù)荷運(yùn)行范圍，這樣就能達(dá)到更快的增壓壓力響應(yīng)，并高效地產(chǎn)生增壓壓力。由于電動增壓無需渦輪增壓器，因此更利于其在高負(fù)荷工況下的運(yùn)行，同時(shí)使得排氣歧管中的廢氣背壓更低，以此獲得更高的功率和更低的燃油耗。

1 第2代電動增壓器產(chǎn)品

2017年，博格華納投產(chǎn)的第1代48 V-eBooster電動增壓器已在2020年初被第2代產(chǎn)品替代，提高總效率和使用2.5 kW電功率持續(xù)運(yùn)行的可能性是研究人員開發(fā)的重要目標(biāo)。第1代產(chǎn)品容許每分鐘以最大5 kW的電功率動態(tài)運(yùn)行約20 s。

在這方面，博格華納已使用永磁式同步電動機(jī)（PMSM），它在加速期間需要的能量比磁阻電動機(jī)少。除此之外，永磁式同步電動機(jī)的特點(diǎn)是噪聲水平非常低，同時(shí)加速響應(yīng)時(shí)間短，并具有較高的效率和扭矩密度。為了保持這些優(yōu)點(diǎn)，博格華納仍保留了永磁式同步電動機(jī)方案。與第1代產(chǎn)品相比，第2代電動增壓器降低了轉(zhuǎn)子和壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量，以便能進(jìn)一步降低功率消耗，并更快地加速。表1列出了第1代和第2代電動增壓器的比較。圖1示出了第1代和第2代eBooseer電動增壓器的橫剖視圖。

第2代電動增壓器實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步改進(jìn)，如可靠的轉(zhuǎn)子可用于更高的轉(zhuǎn)速，減小慣性可減少能量消耗，將定子與功率電子器件聯(lián)結(jié)在一起能減少電阻，并提升效率。此外，第2代電動增壓器的特點(diǎn)是新開發(fā)的電磁兼容（EMV）濾波器具有更低的功率損失和更高的濾波效率，微處理器具有更強(qiáng)的計(jì)算能力用于磁場導(dǎo)向調(diào)節(jié)（FOC）和以模型為基礎(chǔ)的軟件零部件保護(hù)過程中，從而使系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行。圖1示出了第1代和第2代eBooster電動增壓器的橫剖視圖比較。顯然，相似的設(shè)計(jì)同樣也具有許多細(xì)節(jié)變化。

2 正弦換相和阻塞換相

新的eBooster電動增壓器應(yīng)用正弦換相替換第1代所用的阻塞換相。頻率和振幅可變的三相換相是由直流電壓永磁式同步電動機(jī)驅(qū)動過程所產(chǎn)生的，而用于功率級的3個(gè)半電橋開關(guān)信號是由無傳感器的FOC產(chǎn)生的。

在阻塞換相的情況下，每個(gè)相的電流得以快速變化，而在正弦換相時(shí)的軟轉(zhuǎn)換引起的電流波動較小，電動機(jī)中的渦流損失較小，并且能獲得較高的峰值功率和eBooster電動增壓器的持續(xù)運(yùn)行。表2歸納了2種控制方式最重要的特點(diǎn)。

相電流被FOC分成由磁場產(chǎn)生的電流（id）和由扭矩產(chǎn)生的電流（iq）2個(gè)矢量，這就使得永磁式同步電動機(jī)能在弱磁場范圍內(nèi)運(yùn)行，這在電壓非常低的運(yùn)行工況點(diǎn)或在扭矩需求降低的高轉(zhuǎn)速情況下是較為有利的。

新機(jī)型的主要特點(diǎn)是在28 kHz脈寬調(diào)制（PWM）情況下，采用比例積分（PI）調(diào)節(jié)器的40 μs循環(huán)時(shí)間，以此實(shí)現(xiàn)較快的電流和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。所有三相的電流測量借助于以模型為基礎(chǔ)并應(yīng)用于硬件和軟件的零部件保護(hù)，以及持續(xù)增壓的過電流保護(hù)。

圖2對FOC的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行比較，從中可以看出電動機(jī)功率和扭矩與電動機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系。電壓為42 V，這是48 V系統(tǒng)在蓄電池負(fù)荷和所測量的充電狀況下的典型電壓。新的EMV濾波器能更高效地供應(yīng)直流電，從而能獲得更高的功率，甚至能在高轉(zhuǎn)速、低電壓及較短的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)使功率提高55%，并可產(chǎn)生弱磁場的效果。

3 軟件零部件保護(hù)

為了保護(hù)零部件，研究人員在印刷電路板上設(shè)置了3個(gè)熱敏電阻溫度傳感器。這些傳感器不僅能用于測量冷卻液的溫度， 而且還可測量印刷電路板上的控制和功率電子器件的溫度。研究人員通過基于傳感器測量的模型查明臨界溫度，由此推導(dǎo)出了零部件保護(hù)策略，該策略可根據(jù)臨界范圍內(nèi)容許的最高溫度以智能化地降低功率。甚至在使用條件較為惡劣的情況下，這種溫度模型能使eBooster電動增壓器的零部件避免過高的熱負(fù)荷。這些計(jì)算得到的溫度按百分比被劃分成范圍，并被綜合成負(fù)荷指標(biāo)，最高溫度決定了這種指標(biāo)的百分比，汽車電控單元通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）總線接口能傳遞過熱報(bào)警和溫度警告，從而進(jìn)行溫度管理。

4 最佳電磁兼容濾波器

研究人員考慮到兩代eBooster電動增壓器的技術(shù)特點(diǎn)，在主印刷電路板與直流電源之間使用了EMV濾波器，但是仍有必要進(jìn)行改進(jìn)，以便同時(shí)滿足更高功率和更低成本的目標(biāo)要求。同時(shí)，研究人員已優(yōu)化了節(jié)流效果，以便按照全新的設(shè)計(jì)方案以相同的節(jié)拍和不同的模式發(fā)揮濾波器的作用。

第2代電動增壓器將不同和相同節(jié)拍的節(jié)流方式組合在1個(gè)零件中，在鐵氧體磁芯設(shè)計(jì)情況下鐵氧體外環(huán)被用作共模阻抗，而簧片與預(yù)先確定的空氣隙和外環(huán)一起被用作推挽阻抗。

這種設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)是因母線中的電流密度小且直流損失較少，而且能通過磁芯設(shè)計(jì)來影響不同的模式，并且磁通量主要保留在磁芯中。

5 商用車用途

eBooster電動增壓器不僅適用于轎車發(fā)動機(jī)，而且也適用于排量為5 L的商用車發(fā)動機(jī)，它能使小排量發(fā)動機(jī)替代排量大出50%～60%的發(fā)動機(jī)，同時(shí)不會降低功率和扭矩，而且仍能保持原有的加速響應(yīng)性能，甚至還會在一定程度上有所改善。圖3示出了發(fā)動機(jī)在發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺上穩(wěn)態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果的比較。

非公路用的中等尺寸發(fā)動機(jī)通常應(yīng)用于穩(wěn)態(tài)全負(fù)荷及非瞬態(tài)等不同應(yīng)用場合。eBooster電動增壓器通過接通在發(fā)動機(jī)最佳運(yùn)行工況點(diǎn)的行程，以改善低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性。

6 結(jié)語

博格華納公司的eBooster電動增壓器是對傳統(tǒng)渦輪增壓器的補(bǔ)充，能使發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)小型化和低速化，并能降低發(fā)動機(jī)燃油耗。在48 V汽車電路中能產(chǎn)生高

達(dá)7 kW的電功率，并能轉(zhuǎn)換泵吸功率。通過改善控制就能以2.5 kW持續(xù)運(yùn)行，并且在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)也能獲得良好的扭矩特性。研究人員開發(fā)的最重要目標(biāo)是改善功率電子器件、電動機(jī)和壓氣機(jī)的效率，從而得到了較高的總效率，這有助于減輕汽車上電系統(tǒng)的負(fù)荷，并改善電磁兼容性和噪聲特性。eBooster電動增壓器也可用于提高發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)的增壓壓力，使加速響應(yīng)的時(shí)間少于190 ms，同時(shí)獲得出色的加速響應(yīng)性能。該類增壓器可用于轎車和商用車上。